Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ характеристик применяемых в лечебных целях искусственных магнитных полей, аппаратов и систем для их формирования 11
1.1 Искусственные магнитные поля, применяемые в магнитотерапии, их характеристики и математические модели 11
1.2 Структуры магнитотерапевтических аппаратов с электронным управлением индукцией магнитного поля 18
1.3 Обобщенная структура магнитотерапевтического комплекса с электронным управлением индукцией магнитного поля и задача оптимизации устройства управления 29
ГЛАВА 2. Оптимизация устройства управления магнитотерапевтическим комплексом при известной совокупности векторов индукций лечебных магнитных полей 37
2.1 Формализация задачи оптимизации устройства управления магнитотерапевтическим комплексом 37
2.2 Свойства подмножеств совокупности векторов индукции лечебных магнитных полей и эффективные алгоритмы оптимизации устройства управления 55
2.3 Простые сетки и полиномиальные алгоритмы оптимизации устройства управления магнитотерапевтическим комплексом 67
ГЛАВА 3. Оптимизация устройств управления магнитотерапевтическими комплексами при неполной априорной информации о множестве лечебных магнитных полей 82
3.1 Оптимизация коммутатора-распределителя по заданной совокупности излучателей магнитного поля 82
3.2 Дискретные задатчики, их эффективность и расчет 93
3.3 Частотный способ оперативного управления магнитотерапевтической процедурой 108
ГЛАВА 4. Практическая реализация результатов работы 121
4.1 Программное обеспечение синтеза матрицы управлений по совокупности сигналов управления индукцией магнитного поля 121
4.2 Разработка аппаратно-программного обеспечения магнитотерапевтического комплекса КАП МТ/8 «Мультимаг» 125
4.3 Разработка экспериментальных образцов модифицированных контроллеров блока управления магнитотерапевтическим комплексом 139
Заключение 149
Литература 151
Приложение 1 161
- Структуры магнитотерапевтических аппаратов с электронным управлением индукцией магнитного поля
- Свойства подмножеств совокупности векторов индукции лечебных магнитных полей и эффективные алгоритмы оптимизации устройства управления
- Дискретные задатчики, их эффективность и расчет
- Разработка аппаратно-программного обеспечения магнитотерапевтического комплекса КАП МТ/8 «Мультимаг»
Введение к работе
Актуальность работы. Взаимодействие магнитного поля с материальными объектами вызывает электрические, механические или тепловые эффекты. Связь магнитного поля и указанных эффектов очевидна, так как механизмы взаимодействия зачастую известны и сравнительно хорошо описываются существующими физическими законами.
Влияние магнитного поля на живые организмы помимо перечисленных проявлений отличает возможность информационного проявления. Это означает, что определенная комбинация параметров поля, задающая закон его изменения во времени и в пространстве приводит к существенному влиянию его на организм. Большой статистический материал, накопленный за время исследований данного вопроса, позволяет с уверенностью утверждать, что присутствие магнитного поля, а также его полное отсутствие, оказывает значительное влияние на человека.
В последние десятилетия для профилактики и лечения различного рода заболеваний появилось множество магнитотерапевтических устройств от простых приборов до сложных комплексов, создающих искусственные магнитные поля, как местного, так распределенного и общего воздействия [1-7].
Значимость магнитотерапии, а также рекомендации по выбору параметров магнитного поля (МП) представлены в работах Холодова Ю.А., Демецкого A.M., Чернова В.Н., Гаркави Л.Х, рекомендациях ВОЗ [8-14]. Величина лечебного эффекта зависит от множества факторов, важнейшим из которых являются параметры воздействующего МП [15-28]. Формирование МП, обладающего наилучшим с точки зрения получаемого лечебного эффекта распределением во времени и пространстве, возможно только при наличии соответствующего устройства управления магнитоформирующей ситемой аппарата или комплекса для магнитотерапии.
Возможности по индивидуализации магнитотерапевтического воздействия напрямую связаны с функциональными возможностями отдельных узлов магнитотерапевтического аппарата и особенностями устройства управления в целом. Подходы к разработке аппаратов и систем для магнитотерапии, методики разработки отдельных узлов устройств управления магнитотерапевтической аппаратурой приведены в работах Райгородского Ю.М., Малкова Ю.В., Соловьевой Г.Р., Калакутского Л.И. [1,29-38]. Существенный вклад в разработку принципов проектирования систем и комплексов общего магнитного воздействия внесен Прошиным Е.М. и Беркутовым A.M. [7, 39-44].
Магнитоформирующие системы комплексов и систем для общего магнитного воздействия состоят из большого количества индукторов, расположенных в пространстве с учетом формы человеческого тела и обеспечивающих требуемое распределение магнитного поля как на поверхности, так и внутри тела человека. Число независимых индукторов в магнитоформирующих системах достаточно велико (от нескольких сотен до нескольких тысяч) [7, 45-47]. Эвристические методы, широко применяемые при разработке устройств управления магнитотерапевтическими аппаратами локального и распределенного воздействия малоэффективны при разработке систем и комплексов общего магнитного воздействия [34, 44, 46, 48-50].
Основной задачей, требующей решения при проектировании
устройства управления магнитотерапевтическим комплексом общего
воздействия, является снижение аппаратной избыточности за счет
уменьшения количества каналов управления [44,46,47,51,52]. Отсутствие
специализированных процедур и средств, ориентированных на
проектирование и оптимизацию устройств управления
магнитотерапевтическими комплексами общего воздействия,
свидетельствует о необходимости создания инструментария для разработки и оптимизации таких устройств и его практического применения.
Целью работы является повышение эффективности
магнитотерапевтических комплексов за счет оптимизации структур и параметров устройств управления магнитотерапевтическим комплексом общего воздействия многосвязным динамическим сложно распределенным во времени и в пространстве магнитным полем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
построить математические модели полей, формируемых магнитотерапевтическими комплексами, выявить характеристики применяемых в лечебных целях искусственных магнитных полей, влияющие на форму математической модели поля и определить модель, описывающую поле, создаваемое магнитотерапевтическим комплексом общего магнитного воздействия;
проанализировать структурно-функциональные особенности существующих магнитотерапевтических устройств и построить обобщенную модель магнитотерапевтического комплекса;
сформулировать задачу оптимизации устройства управления магнитотерапевтическим комплексом по известной совокупности лечебных магнитных полей на основе обобщенной модели, определить ее сложностную категорию и возможные подходы к решению;
разработать алгоритмы решения задачи оптимизации устройства управления магнитотерапевтическим комплексом по известной совокупности лечебных магнитных полей как в общем случае, так и для частных случаев, когда исходные данные допускают более эффективное, по сравнению с общим, решение;
определить критерии эффективности отдельных функциональных узлов магнитотерапевтическои аппаратуры при неполной априорной информации о совокупности лечебных магнитных полей и использовать их для оптимизации устройств управления магнитотерапевтическими аппаратами и комплексами;
разработать способы оперативного управления параметрами магнитотерапевтической процедуры, необходимые для индивидуализации воздействия;
реализовать полученные решения и разработанные алгоритмы в виде аппаратно-программного обеспечения существующих и вновь создаваемых средств магнитотерапии общего магнитного воздействия.
Методы исследования. При решении поставленных задач применялся аппарат дискретной математики, комбинаторики, теории множеств. Для определения временных затрат, необходимых для решения задачи оптимизации устройств управления магнитотерапевтическими комплексами применялись методы теории анализа алгоритмов. Формализация задачи оптимизации устройства управления проведена с применением основных положений теории графов. Для выявления сложностного класса задачи оптимизации использована техника сведения проблем, применяемая в теории автоматов, языков и вычислений. Получение ряда зависимостей произведено численными методами с последующим применением методов аппроксимации экспериментальных данных.
Программное обеспечение, реализующее функции синтеза вектора
управляющих сигналов и программное обеспечение
магнитотерапевтического комплекса «Мультимаг» разрабатывалось при помощи среды объектно-ориентированного программирования C++.
Научная новизна. В ходе работы
- разработана обобщенная модель магнитотерапевтического аппарата
общего воздействия на основе анализа характеристик применяемых в
лечебных целях искусственных магнитных полей и структурно-
функциональных особенностей существующих магнитотерапевтических
устройств;
сформулирована задача оптимизации устройства управления магнитотерапевтическим комплексом как задача комбинаторной оптимизации и доказана ее принадлежность к классу Л^-полных проблем;
доказано существование матроидов на множестве сигналов управления индукцией искусственно создаваемого магнитного поля в виде простых сеток, обоснована целесообразность применения «жадных» алгоритмов для решения задачи оптимизации устройства управления на простой сетке сигналов;
получена весовая функция, позволяющая минимизировать поток управляющей информации, получаемый в результате оптимизации устройства управления по известной совокупности управляющих сигналов;
определены критерии эффективности функциональных узлов магнитотерапевтической аппаратуры и предложены алгоритмы оптимизации устройств управления, учитывающие неполноту априорной информации о совокупности лечебных магнитных полей;
предложен способ оперативного управления параметрами магнитотерапевтической процедуры.
Практическая значимость. На основе полученных в ходе работы результатов:
разработаны алгоритмы оптимизации устройства управления магнитотерапевтическим комплексом по известной совокупности сигналов управления индукцией магнитного поля, образующих простые сетки, для комплексов имеющих в своем составе коммутаторы-распределители с возможностью групповой адресации коммутирующих ячеек и без таковой. При помощи разработанного программного обеспечения проведен анализ характеристик существующих на сегодняшний день лечебных магнитотерапевтических методик;
создано программное обеспечение, позволяющее по матрице индукций искусственного магнитного поля синтезировать матрицу
управлений для дискретного задатчика магнитотерпевтического комплекса и осуществлять управление ходом магнитотерапевтической процедуры;
разработан контроллер силового блока магнитотерапевтического комплекса серии «Мультимаг», позволяющий формировать динамические неоднородные многосвязные магнитные поля с одной степенью свободы вектора индукции магнитного поля;
разработаны экспериментальные образцы контроллеров силового блока комплексов серии «Мультимаг», реализующие оперативное управление и независимую коммутацию блоков индукторов, соответствующих различным частям человеческого тела.
Результаты работы апробированы и используются при производстве магнитотерапевтических комплексов КАП МТ/8 «Мультимаг» на Касимовском приборном заводе, научно-производственной фирме «РРТИ-Интерком» г. Рязань, научно-производственном предприятии «ТЕМП-АВИА», г. Арзамас, в городской больнице № 11 г. Рязани, а также в учебном процессе РГРТА при преподавании дисциплин по специальности 190600 «Инженерное дело в медико-биологической практике».
Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на V международной научно-технической конференции «Современные средства управления бытовой техникой», г. Москва 2003 г., на межрегиональной научно-практической конференции-семинаре «Технологии физиотерапии XXI века», г. Касимов, 2001 г. и на Всероссийских научно-технических конференциях «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы», г. Рязань, 1999, 2000, 2001 и 2002 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 печатные работы, из них 4 статьи в центральной печати, 17 докладов на научно-технических конференциях и семинарах и 1 патент на изобретение. Получено 1 свидетельство Российского агентства по патентам и товарным знакам об
официальной регистрации программы для ЭВМ (управляющая оболочка КАП МТ/8 «Мультимаг»). По результатам работы получены положительные решения о выдаче патента на изобретение (3 решения).
Положения, выносимые на защиту:
Доказательство TVP-полноты задачи оптимизации устройства управления магнитотерапевтическим комплексом по известной совокупности искусственных МП, ограничивающей снизу временную сложность алгоритмов оптимизации.
Критерий, позволяющий выделять простые сетки из совокупности сигналов управления индукцией искусственного МП, на которых для оптимизации устройства управления применим «жадный» алгоритм;
Алгоритм оптимизации устройства управления
магнитотерапевтическим комплексом, использующий свойства простых сеток и атрибуты управляющих сигналов, позволяющие понизить временную сложность алгоритма до 0{К ).
Критерии и процедуры, позволяющие оптимизировать функциональные узлы устройства управления в условиях неполной априорной информации о совокупности и параметрах искусственных магнитных полей.
Частотный способ оперативного управления относительной интенсивностью магнитотерапевтической процедуры, обеспечивающий изменение параметров в ходе процедуры.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 129 наименований и приложений. Диссертация содержит 168 страниц, в том числе 125 страниц основного текста, 37 страниц рисунков и 6 приложений.
Структуры магнитотерапевтических аппаратов с электронным управлением индукцией магнитного поля
Одной из основных тенденций в развитии МТА является непрерывное целесообразное усложнение их структуры, которое диктуется непрерывным повышением требований к магнитотерапевтической технике и которое становится возможным благодаря непрерывному совершенствованию элементной базы. Усложнение структуры МТА идет как по пути количественного увеличения числа используемых в одной структуре отдельных излучателей магнитного поля (УНИМП) и числа каналов управления, так и по пути усложнения взаимосвязей между ними. Все это приводит к чрезвычайному разнообразию вариантов структурного построения МТА и в значительной мере затрудняет задачу их классификации и систематизации, выбора структуры МТА для конкретного применения. В свете вышесказанного, поиск наиболее существенных признаков, позволяющих создать стройную классификационную систему МТА, которая явится основой для развития и совершенствования теории построения МТА, является актуальной задачей.
Попытки создать классификацию МТА предпринимались, например, в работе [7, 29, 46], однако положенный в основу классификации признак, а именно локализация воздействия на пациента, не позволил создать стройную и непротиворечивую классификацию УУ МТА. Общепризнанно, что наиболее существенные классификационные признаки определяются, прежде всего, видом структурной схемы, которая отражает совокупность приемов использования принципов и средств преобразования информации и энергии и дает возможность проведения широких обобщений, не связанных с особенностями конкретного конструктивного исполнения отдельных элементов и узлов МТА.
Анализируя структуры и принципы построения различных магнитотерапевтических устройств, можно выделить четыре основных функциональных узла, в той или иной комбинации входящих в магнитотерапевтические аппараты, системы и комплексы. Этими узлами являются: задатчик, коммутатор-распределитель, силовой источник тока, индуктор (секция индукторов).
Задатчик предназначен для генерации сигналов, в соответствии с которыми формируются токи, протекающие через обмотки индукторов магнитоскана и для обеспечения взаимодействия пользователя - врача или медсестры с магнитотерапевтическим устройством. Одной из важных характеристик задатчика является число независимых каналов управления или, другими словами, число выходов на которых может формироваться, независимо от других выходов, информация о параметрах управляющего тока. Число каналов управления в современных аппаратах невелико - до 10, что объясняется в первую очередь сложностями, возникающими при синтезе методики воздействия МП, а также большими аппаратными затратами при создании задатчиков с большим количеством каналов управления. С другой стророны, на данный момент отсутствуют исследования, посвященные оптимальному выбору числа каналов управления для различных задач и аппаратов разных типов. Справедливости ради следует отметить, что возможность выбора числа каналов предусмотрена далеко не во всех аппаратах.
Задача коммутатора-распределителя (КР) - согласовать между собой по размерности вектор сигналов управления с выхода задатчика и множество индукторов МТА. Соответствие между собой каналов управления и индукторов может быть задано различными способами:- жестким соответствием, при котором все индукторы, составляющие оконечное устройство МТА, объединены в группы, или секции, по числу независимых каналов управления. Вход каждой секции соединяется со входом одноименного канала управления. Жесткое соответствие молено рассматривать как случай, при котором в структуре МТА согласующее устройство отсутствует [7, 41, 46];- коммутацией, когда имеется возможность варьировать набор индукторов, управляемых определенным каналом. Коммутировать можно как отдельные индукторы, так и секции индукторов [67].
Основной характеристикой, определяющей функциональные возможности коммутатора-распределителя и, во многом, возможности МТА по формированию пространственных конфигурации МП, служит число возможных состояний коммутирующих ячеек КР. Данная характеристика показывает, сколькими способами могут быть поставлены в соответствие индуктора (секции) и каналы управления МТА. По возможности соединения между собой индукторов и каналов МТА КР можно разделить на полнодоступные КР и КР с ограниченным доступом [5,7,46,47]. Полнодоступные КР существенно увеличивают возможности МТА по формированию различных пространственных конфигураций МП, но также и усложняют конструкцию аппарата в целом. Поскольку многоиндукторные аппараты, особенно предназначенные для общего магнитного воздействия, пока не получили широкого распространения в лечебной практике, публикации по вопросам выбора и оптимизации структуры КР фактически отсутствуют.
Силовые источники тока (СИТ) преобразуют энергию, поступающую от источника питания МТА в ток, протекающий через обмотки индукторов. Параметры тока определяются электрическими сигналами в том канале управления, с которым соединен в данный момент времени вход силового источника. Во многих случаях число СИТ определяется числом независимых каналов управления, а выходы источников непосредственно нагружены на индукторы [7, 41, 46, 51]. Вопросам синтеза СИТ для различных аппаратов и типов индукторов посвящены работы [46, 48, 49, 51, 68, 69].
Наконец, индуктор представляет собой катушку индуктивности или электромагнит, управляемый протекающим через него током. Величина индукции определяется геометрией индуктора и линейно зависит от управляющего тока; форма и параметры МП, создаваемого индуктором, а, следовательно, размеры самого излучателя, его форму и максимально возможную силу тока в обмотке, выбирают, исходя из вида того органа или части человеческого тела, на которую осуществляется воздействие [65]. В аппаратах и комплексах, предназначенных для общего воздействия неоднородным МП, устройство формирования поля вокруг пациента (магнитоскан) состоит из большого количества однотипных индукторов,
Свойства подмножеств совокупности векторов индукции лечебных магнитных полей и эффективные алгоритмы оптимизации устройства управления
Поскольку задача оптимизации УУ МТК, как показано в предыдущем параграфе, относится к числу TVP-полных, то неизвестно, существует ли полиномиальный алгоритм нахождения оптимального решения в общем случае - для любого вектора индукций МП. Для многих задач комбинаторной оптимизации - а задача оптимизации УУ МТК относится к таким задачам - существуют полиномиальные «жадные» алгоритмы их решения.
«Жадный» алгоритм разбивает решение оптимизационной задачи на несколько этапов, осуществляя постепенное приближение к решению. На каждом из этапов «жадным» алгоритмом принимается локально оптимальное решение, исходя из предположения, что результирующее решение будет глобальным оптимумом. В произвольной ситуации такая «жадная» эвристика неверна, т.е. найденное решение не является глобальным оптимумом, однако значительное число задач комбинаторной оптимизации позволяют применять для своего решения «жадный» алгоритм. Кроме того, многие приближенные методы решения JVP-ПОЛНЫХ И iVP-трудных задач используют в качестве основы «жадные» эвристики.
Приближенные алгоритмы раскраски графа по своей сути являются «жадными» алгоритмами, однако они не всегда находят оптимальное решение. Связано это с тем, что множество вершин графа и семейство множеств несмежных вершин этого же графа не образуют матроида, поскольку для указанного семейства не выполняется свойство (аксиома) замены [77, 78, 89, 95-97].
Построение матроида на множестве синалов управления позволяют создать полиномиальный алгоритм решения задачи оптимизации УУ МТК. Введем несколько определений необходимых для дальнейшего изложения. Определение 2.4. Простым сигналом управления называется сигнал s,{f), характеристическая функция %{(t) которого имеет вид положительногопрямоугольного импульса на интервале [О, Т). Сигналы управления, характеристическая функция которых имеет вид нескольких положительных прямоугольных импульсов, будем называть составными. Подавляюще большинство сигналов управления, используемых в клинической практике магнитотерапии общего воздействия, относится к простым сигналам. Сигнал управления s,(Y), помимо прочих параметров, характеризуется временем возникновения ф; и временем исчезновения v/,. Время возникновения определяется как момент времени, соответствующий первому переходу из 0 в 1 характеристической функции %j(t), а время исчезновения -момент времени, соответствующий последнему переходу %j(t) из 1 в 0 на интервале [О, Т). Вместо пары (ф/, ЦІЇ) может использоваться пара (ф/, т,), где х, = ц/, - фг. Таким образом, в отличие от вершины графа, каждый сигнал управления имеет один или несколько атрибутов. Последние могут использоваться для построения полиномиального алгоритма оптимизации УУ МТК на множестве простых сигналов управления. Определение 2.5. Простой сеткой на интервале [О, Т) называется такое множество сигналов управления, характеристические функции которых перекрываются полностью, либо не перекрываются вовсе. Пример простой сетки приведен на рис. 2.6. Особенностью простой сетки является то, что элементы матрицы 0 для нее принимают только два значения: 0 или 1. Лемма 2.2. Некоторое множество сигналов , является простой сеткой тогда и только тогда, когда элементы Щ матрицы 0 принимают значения на множестве {0, 1}. Доказательство. Необходимость: если So - простая сетка, то элементы ,9, є {0,1}. Так как So - простая сетка, то характеристические функции Zi(t) и %j(t) сигналов S{(f) и s/ї) принимают единичные значения на некоторых единичные значения на различных подинтервалах (JA и jAr[;) к=\ к=\ интервала [0, Т). При этом изменения значений Zi(0 и Zj(0 могут происходить как в один и тот же момент времени tk, так и в различные моменты 4 и А]) (Рис- 2-6). При 3{- = 1 сигналы sft) и Sj(f) несовместимы и их характеристические функции совпадают, т.е. Zi(0 = Zj(0 = z(0- Докажем последнее утверждение от противного. Предположим, что мы имеем несовместимые сигналы Sj(t) и Sj(t), характеристические функции которых пересекаются лишь частично, т.е. целом меньше либо равно единице, поскольку в числителе подкоренного выралсения находится меньший из интервалов (по заранее оговоренному условию). Однако, нами не сделано никаких предположений относительно соотношения длительностей Tj и Tj, поэтому возможна ситуация, когда гг = г. Но и в этом случае выражение (2.18) остается меньшим единицы, поскольку по предположению сигналы sft) и Sj(t) перекрываются лишь частично и T{j ту г,. Полученный результат противоречит исходному утверждению, согласно которому при fy- = 1 s t) и Sj{f) перекрываются лишь частично, следовательно, при 3tJ = 1 = %j(t) . Заменим все совпадающие характеристические функции %{t) одним представителем %(t). В результате, каждой группе несовместимых сигналов будет сопоставлен один представитель, а все представители будут совместимы друг с другом. На интервале [О, Т) выделится некоторое множество Т% непересекающихся интервалов At, на которых какой-либо из представителей Zk(0 отличен от 0. Если на [0, Т) существуют такие подинтервалы At, на которых все представители %к (?) равны 0, то указанные подинтервалы образуют множество Т%, являющееся дополнением Т до [0, Т). Объединение Т% U Т% покрывает весь интервал [0, Т) и разбивает его на такие интервалы, что Другими словами, если 1 є {0,1}, то выполняется условие (2.17). Достаточность доказана. Лемма 2.2 обеспечивает правило, позволяющее на этапе подготовки исходных данных для задачи оптимизации УУ МТК определить, является ли анализируемое множество сигналов управления простой сеткой или нет. Лемма 2.3. Если So - простая сетка, то отношение, определяемое матрицей 0 антирефлексивно, симметрично и транзитивно. Доказательство. Пусть So - простая сетка, тогда, согласно лемме 2.2, элементы i9y матрицы 0 таковы, что 3tj є {О, і}. В том случае, когда &{]- = 1, характеристические функции j,(0 и j,(0 совпадают на интервале [0, 7): Но совпадение функций Zi(0 и ZjiO есть отношение эквивалентности, поэтому как Тот факт, что So является простой сеткой, не изменяет свойств (2.13) и (2.14) матрицы 0, т.е. отношение, определяемое 0, остается антирефлексивным и симметричным. Учитывая (2.20), (2.13) и (2.14) получаем, что 0 антирефлексивно, симметрично и транзитивно. Лемма доказана. Значение простых сеток для задачи оптимизации УУ МТП раскрывает следующая теорема. Теорема 2.2. Пара Ms = So, S , где So - простая сетка, а $ - семейство множеств совместимых сигналов на простой сетке So, является матроидом. Доказательство. Пара Ms представляет собой матроид в том случае, если она удовлетворяет трем аксиомам [77,89,95,97]. Рассмотрим поочередно каждую из них. 1. Множество So конечно. Количество управляющих сигналов не может превышать число УНИМП МТА. Количество последних в свою очередь ограничено, в том числе и по конструктивно-технологическим соображениям. Следовательно, множество управляющих сигналов конечно. Простая сетка So является частным случаем множества управляющих сигналов и в силу этого также представляет собой конечное множество. Первая аксиома для пары Ms выполняется. 2. \/А є 5УВ с: А= В є 5. Рассмотрим некоторое множество У А с; S совместимых сигналов управления. Если В А и Асі В, то множества А и В совпадают и в этом случае В є 5 по определению. Рассмотрим теперь случай, когда В является несобственным подмножеством А. В этом случае в В входит только часть сигналов управления s(t) є А. Но, поскольку А состоит только из совместимых сигналов, любая пара (Sj (/), s (7)): si (t) є A, Sj (t) є А совместима. Так как В состоит только из элементов, принадлежащих А, то любая пара (sk(t),Sj(t)): sk(t) є B,Sj(t) є В также совместима и, следовательно, В є S. Множество В может состоять из одного элемента, но и в этом случае, по определению 2.1, В также является множеством совместимых сигналов, т.е. В є 5. Наконец, множество В может быть пустым. Поскольку нет оснований считать пустое множество множеством несовместимых сигналов, то молшо положить 0 є 5. В результате условия второй теоремы удовлетворяются и \/АЕ S,\/B С А= В є 5.
Дискретные задатчики, их эффективность и расчет
Задатчик, как уже отмечалось, является одним из основных узлов магнитотерапевтических устройств. Его характеристики в первую очередь определяют функциональные возможности магнитотерапевтического устройства, как в плане формирования различных МП, так и в плане целенаправленного управления параметрами поля со стороны пользователя. Функциями задатчика являются: формирование сигналов управления, в соответствии с которыми изменяются токи, протекающие через индукторы магнитоскана; взаимодействие с пользователем устройства, для обеспечения ввода методики лечебного воздействия, а также для оперативного управления ходом магнитотерапевтического сеанса.
В зависимости от особенностей построения, задатчики можно разделить на две группы: с дискретным синтезом управляющих сигналов и с параметрическим синтезом сигналов управления. Наибольший интерес представляют устройства первой группы, поскольку именно они применяются в сложных устройствах с большим количеством индукторов, предназначенных для общего и распределенного воздействия. Параметрические задатчики, напротив, используются в несложных устройствах с небольшим количеством индукторов, предназначенных для локального воздействия и применения в домашних условиях. Задатчики с параметрическим синтезом в большинстве имеют ограниченные функциональные возможности.
В структуре задатчика можно выделить следующие функциональные узлы: синтезатор (С), интерфейсный блок (ИБ), буферное запоминающее устройство (БЗУ), формирователь (Ф) и процессор считывания (ПС) (рис. 3.4). Синтезатор предназначен для автоматизации процедуры подготовки и преобразования методики лечебного воздействия {Во} в аппаратно-зависимую форму {Bs} (конфигурирования МП). Данный узел присутствует только в тех аппаратах и комплексах, которые включают в свой состав средства вычислительной техники (ПК), выполняющие некоторые функции по управлению воздействием. Синтезатор при этом реализуется программным путем, поскольку, таким способом достигается высокая гибкость данного узла. Кроме того, в большинстве случаев синтезатор объединяется с системой управления базой данных, которая предназначена для автоматизации действий врача по ведению историй болезни и (или) учета пациентов и отпускаемых им процедур.
Интерфейсный блок обеспечивает взаимодействие используемых в составе магнитотерпевтического устройства средств вычислительной техники с аппаратурой блока управления. Через интерфейсный блок происходит запись методики воздействия (в исполняемой форме) в БЗУ, а также подача сигналов, обеспечивающих оперативное управление устройством, например, сигналов запуска, останова и т.п. Еще одна функция интерфейсного блока - взаимодействие пользователя с МТА. В некоторых случаях использование средств вычислительной техники в составе магнитотерапевтического устройства оказывается неоправданным, либо экономически невыгодным, и тогда все управление должно осуществляться вручную через интерфейсный блок. Аппараты, не имеющие в своем составе средств вычислительной техники, используют интерфейсный блок исключительно для взаимодействия с пользователем.
Буферное запоминающее устройство хранит на время проведения лечебного сеанса набор данных, определяющий сигналы управления, формируемые задатчиком. В задатчиках с дискретным синтезом управляющий сигнал (фактически один его период) описывается решетчатой функцией S(tk), задающей значения управляющего сигнала в моменты времени t Управляющий сигнал получают аппроксимацией функции S(tk) полиномом, чаще всего 0-го порядка. Интервалы дискретизации At к = tk+i - tk как правило делают неравномерными для того, чтобы исключить избыточные отсчеты и более эффективно использовать БЗУ.
Формирователь является узлом, с выходов которого снимаются сигналы управления {/,}, определяющие формируемое комплексом МП. Число выходов (или групп выходов, если индукторы, используемые в МТА, имеют возможность создавать МП с несколькими степенями свободы) равно числу независимых каналов управления. На входы формирователя подается информация из некоторых ячеек БЗУ. Подаваемая на вход формирователя информация определяет амплитудно-временные параметры сигналов управления. Точнее, эта информация определяет уровни сигналов в каждом канале и интервалы времени, в течение которых уровни остаются постоянными.
Процессор считывания предназначен для подачи и последовательной смены информации, подаваемой на входы формирователя из ячеек БЗУ в соответствии с заданной методикой лечебного воздействия. Процессор считывания - вспомогательный узел, структура и состав его зависят от состава, структур и способа взаимодействия между собой формирователя и БЗУ.
В условиях априорной неопределенности о совокупности лечебных магнитных полей функциональные возможности задатчика характеризуются числом различных управляющих сигналов, которые могут быть получены на выходе задатчика [80]. Функциональные возможности задатчика определяются главным образом структурой и особенностями использования формирователя и БЗУ. На сегодняшний день выделяются два основных подхода к проектированию формирователей и использованию БЗУ [7, 46, 51].
Первый из них приводит к задатчику с синхронным тактированием (рис. 3.5). Информация об управляющих сигналах хранится в БЗУ в виде кортежей S\, Si, ..., SN, tk (SJ, - код интенсивности в /-м канале - момент переключения кода на выходах задатчика). В данном случае моменты времени tk переключения уровней выходных сигналов одинаковы для всех каналов управления. Интервалы А (моменты 4) определяются по информации, записанной в БЗУ и подаваемой на специально выделенный в формирователе канал синхронизации.
На выходе канала синхронизации в моменты tk формируются импульсы, заставляющие процессор считывания циклически перебирать адреса ячеек с кодами Д . С ними, жестко связаны, например, расположены по тем же адресам в параллельно подключенных блоках БЗУ, ячейки, хранящие коды уровней выходных сигналов формирователя. На одну ячейку с кодом Atk приходится N ячеек с кодами 5,- , где s - код уровня выходного сигнала, / - номер канала управления, к - номер очередного временного
Разработка аппаратно-программного обеспечения магнитотерапевтического комплекса КАП МТ/8 «Мультимаг»
Разрабатываемое аппаратное обеспечение предназначено для приема с ПЭВМ и запоминания конфигурации магнитного поля с последующим автономным формированием силовых токов для питания индукторов магнитоскана на время такта, паузы и цикла магнитотерапевтического комплекса КАП МТ/8 «Мультимаг». Задача программного обеспечения -формирование методики лечебного воздействия и ведения банка данных лечебных методик на персональном компьютере, контроль последовательности тактов и пауз, а также длительности процедуры. Структура аппаратной части комплекса представлена на рис. 4.2.
Комплекс состоит из следующих блоков:1. Персональный компьютер на платформе «Wintel», оснащенный интерфейсом, соответствующим спецификации «Centronics», а также последовательным интерфейсом стандарта RS-232;2. Блок управления, хранящий в памяти массив конфигурации магнитного поля и формирующий силовые токи для питания индукторов магнитоскана. Запись информации в память блока и запуск силового блока на работу осуществляется по командам, подаваемым персональным компьютером.3. Магнитоскан - специальная кушетка с индукторами для формирования динамического магнитного поля вокруг пациента.
Структура блока управления показана на рис. 4.3. В память (RAM) контроллера заносится массив конфигурации магнитного поля. При работе ячейки памяти опрашивается с частотой, определяемой встроенным генератором. Информация из ячеек памяти в виде ШИМ сигнала распределяется по 8-ми каналам СИТ вместе с заданием полярности независимо по каналам. Каждый силовой источник нагружается на соответствующие секции индукторов магнитоскана (I\-h).Функциональная схема контроллера блока управления приведена на рис. 4.4. Регистр RG\ служит для адресации регистров и режимов. Запись в RG\ осуществляется сопровождающим сигналом OUT А. Формат адресации и режимов показан в табл. 4.1.
Данные от ЭВМ распределяются по внутренним регистрам контроллера блока управления в зависимости от последнего адреса, записанного в регистре RG\. Данные сопровождаются сигналом OUTB и записываются в следующие регистры:- регистр адреса RAM, составленный из регистра страницы RAM RG3 (старшие 5 бит) и счетчика с параллельной загрузкой данных СТ1 (младшие 6 бит);- регистр данных RAM RG2;- регистр полярности RG5; - регистр паузы RG6.После занесения всех данных в регистры и в память контроллера, в разряды 4 и 3 регистра RG\ заносится сочетание 01, которое включает блок управления в режим «работа». В этом режиме внутренний генератор G при помощи счетчика СТ2 перебирает младшие 6 разрядов адреса RAM (с частотой 2 МГц), в котором записаны коды ШИМ-сигналов всех 8-ми каналов. Регистр RG4 на выходе RAM формирует ШИМ-сигналы, которые дополнительно стробируются паузами с регистра RG6 и поступают на выход контроллера для управления силовыми источниками тока.
В память ШИМ {RAM) коды записываются на весь цикл работы. Длительность лее такта и паузы отслеживается программным обеспечением КАП МТ/8 «Мультимаг» при помощи системного таймера персонального компьютера. По завершении такта ПО КАП МТ/8 «Мультимаг» инкрементирует содержимое регистра страницы БЗУ, переписывает, возможно с изменениями, данные по полярности и запускает работу на новый такт.
Внешний вид системы электронного формирования токов комплекса "Мультимаг МК-03" показан на рис. 4.5.
Программный пакет «Аврора МК-03» предназначен для работы в составе аппаратно-программного комплекса КАП МТ/8 «Мультимаг», под управлением операционной системы DOS и совместимых с нею. Иерарахия основных функций пакета «Аврора МК-03» приведена на рис. 4.6.
Основной исполняемый модуль пакета «Аврора МК-03» MK03SYN.EXE позволяет выполнять следующие функции:1. Выбор методики;2. Просмотр параметров методики;3. Редактирование параметров методики;4. Работа с силовым блоком КАП МТ/8 «Мультимаг»;5. Информация о программе.
При запуске программы на экране появляется основное меню по вышеперечисленным функциям. Выбор функции осуществляется с помощью клавиш управления курсором (- , -). При этом перемещается подсветка функции. Для выбора необходимо нажать клавишу "Enter". Рассмотрим последовательно выбираемые функции.
Выбор методики. Данная функция позволяет выбрать файл лечебной методики (конфигурации магнитного поля) с расширением ".DAT" или "КМР" для последующей работы или модификации. Пример изображения на экране показан на рис. 4.7.
Выбор осуществляется с помощью клавиш управления курсором ( —, t, I, - ). При этом перемещается подсветка файла. Подтверждение выбора осуществляется клавишей "Enter" , отмена выбора - клавишей "Esc". Выбранная методика графически отображается на экране, один из примеров которого показан на рис. 4.8. Здесь помимо основного меню появляется поле КМП, состоящее из нескольких областей.
Основное поле занято матрицей интенсивностей (8x32), где 8 строк соответствуют 8-й каналам силового блока магнитотерапевтического комплекса, а 32 столбца соответствуют тактам во времени подключения соответствующих интенсивностей в каналах. Длительности тактов могут быть разными по столбцам и отображаются в логарифмическом масштабе специальной строкой внизу. Здесь же отображаются также в логарифмическом масштабе длительности пауз между тактами.
В самом низу экрана появляется область справочной информации: по виду заболевания, по названию файла, по длительности процедуры. Справа от основного поля располагаются столбцы «Вариация» и «Пульс», где во время работы будет отображаться биометрическая информация, получаемая с датчика пульса (если таковой входит в комплект комплекса и подключен). Под ними располагается область высвечивания усредненных временных параметров.
Просмотр параметров позволяет определить конкретные параметры конфигурации магнитного поля. В этом режиме одна из ячеек основного поля обрамляется белым цветом, а значения параметров в этой ячейке отображаются в окне, которое появляется справа на экране. Перемещение между отдельными элементами поля осуществляется клавишами ( —, t, і, -», PgUp, PgDn, End, Home).
Изображение на экране принимает вид, показанный на рис. 4.9. В окне в правой стороне экрана показываются следующие числовые параметры :- интенсивность поля;
